冲击地压矿井工作面回采速度影响及调控方法研究

2023-03-16宋丽军刘慧勇

中国煤炭工业 2023年2期

文/宋丽军刘慧勇

随着开采深度的不断加大，冲击地压已成为煤矿安全生产主要灾害之一，如何及时有效地预测预报和有效防治冲击地压成为煤矿安全生产亟须解决的技术难题。从已有的研究来看，大多数是关注回采速度对矿压影响的研究，而关于合理回采速度调控方法的研究较少。然而研究回采速度与微震能量释放关系，确定合理的回采速度阈值，对于防治冲击地压十分必要，有利于降低大能量事件发生概率，确保工作面安全高效回采。基于此，在已有研究基础上，以鄂尔多斯深部矿区纳林河二号矿井为工程背景，采用文献分析、数值模拟、现场实测相结合的方法，系统研究冲击地压矿井回采速度调控方法，对于丰富冲击地压防治理论与技术，以及对相关工程实践，具有重要的价值和指导意义。

一、回采速度对冲击地压的影响机制研究

1.数值模型的建立

在不同的回采速度下，煤体上方坚硬顶板破断前的悬臂结构有所差异。回采速度越大，与煤层近处的坚硬顶板悬臂长度也越长。根据顶板弯曲弹性能理论，悬露长度可由下式计算：

式中：q为顶板承受的均布载荷及其自重，MPa；

L为顶板悬露长度，m；

E为顶板的弹性模量；

J为顶板悬露部分积聚的能量。

由式（1）可知，悬露长度与岩体内部所储集的弹性能成正比关系。因此，回采速度越大，煤体上方顶板可能悬露的长度也越长，顶板内部所储存的弹性能也越大。当悬露岩层无法满足其自身承载能力时，悬露岩层会发生破断，释放大量能量，此时产生较大动载效应以波的形式传递到工作面上，对井下工作面的生产带来巨大的安全隐患。

结合鄂尔多斯矿区某工作面地质资料确定数值计算模型。模型尺寸为：长X×宽Y×高Z=700m×700m×316m，模型每次开挖2m、4m、6m，分别平衡300、600、900步之后再进行下一次开挖。通过模型中不同开挖过程中时间步大小来模拟应力的变化过程以及能量的释放规律，进而解释不同开采强度对冲击显现的影响程度。

2.不同回采速度下顶板应力演化规律

建立模拟云图，如图1、图2所示。由图1、图2可以看出，当开挖量保持相同时，平衡时间步越长，则煤层垂直应力也越大。通过对不同开采强度条件下垂直应力的对比分析可以看出，当平衡时间步相同时，开采强度越大，相应的煤层垂直应力也越高，上升的幅度也越大。基于以下三组模拟云图的对比可以看出，若单次开挖强度越大，平衡时步越大，则煤层的垂直应力也越高。

图1 一次开挖2m 后垂直应力云图

图2 一次开挖4m 后垂直应力云图

3.不同回采速度下顶板能量释放演化规律

绘制不同开挖方案下总能量、最大总能量与时间步关系如图3所示。由图3（a）、（c）可以看出，当平衡时间步相同时，每次开挖的强度越大，每时间步内所释放的能量也就越大。据图还可知，当开挖6m时，每时间步的总能量可达1.6E9J，远高于单次开挖量4m的1.3E9J，以及2m的9.0E8J，这说明每时间步内开挖量越大，围岩内部储存的弹性能释放越强烈。由图3（b）、（d）可以看出，当平衡时间步相同时，每次开挖的强度越大，每时间步内所释放的最大能量也越大。因此，减缓开挖强度可有效降低围岩弹性能的释放。

图3 不同开挖方案下总能量、最大总能量与时间步关系图

二、回采速度与工作面能量释放的关联性分析

1.大煤柱工作面回采速度与能量释放关系

以纳林河二号矿井31103-1工作面为工程背景统计数据，绘制每日回采速度及能—频差异系数整体分布，如图4所示。由图4分析可知：从整体来看，每日回采速度越高，每日能—频差异系数越高；能—频差异系数越高，表明当日低频高能特征越明显，易出现动载诱发动力显现的可能。31103-1工作面动力显现频繁区段，回采速度越大，当日能—频差异系数均值越大，超过+0.1（强）的天数占比也最大；能—频差异系数越大，表明当日动载冲击风险越大。因此控制回采速度有利于当日微震事件由低频高能向高频低能转换，有利于降低动载扰动。

图4 回采速度与每日能—频差异系数关系图

2.小煤柱工作面回采速度与能量释放关系

统计绘制每日推进速度与能—频差异系数均值、超过+0.1（强）的天数占比关联性分析图，如图5所示。分析图5可知：工作面回采速度越大，当日能—频差异系数均值越大，超过+0.1（强）的天数占比也最大；能—频差异系数越大，表明当日动载冲击风险越大，故控制回采速度有利于当日微震事件由低频高能向高频低能转换。

图5 每日推进速度与能—频差异系数均值及超过天数占比关系

综上所述，回采速度与微震事件的能量与频次均呈正相关关系，即回采速度越大，工作面现场矿压显现的情况越严重。

三、冲击地压矿井合理回采速度调控方法

纳林河二号矿井已回采工作面中，31103-1工作面双见方段采用大煤柱+大直径+超前支护，31103-1工作面爆破段采用大煤柱+大直径+超前支护+顶板预裂爆破。31103-2工作面采用大煤柱+大直径+超前支护+顶板爆破。31120工作面采用小煤柱+大直径+超前支护+顶板爆破。31104工作面采用小煤柱+大直径+超前支护+顶板爆破+顶板定向水力压裂。根据已回采工作面回采速度分析，提出不同卸压措施条件下回采速度初值。

基于以上分析，明确纳林河二号矿井各回采工作面回采速度需根据工作面采取的卸压措施选取合理的初值，根据监测预警情况动态调整回采速度，其调控原则及方法如下：

一是冲击地压矿井合理回采速度的确定需要坚持“一矿一策、一面一策”的基本原则，不同矿井、同一矿井不同回采工作面、同一矿井同一回采工作面的不同回采区域均应动态调整回采速度，出现异常情况应及时分析调整，工作面应尽量保持平稳采掘，停产复采应实现“软启动”。

二是在工作面见方等强冲击危险区域，可依据实际监测数据及动力显现分析结果，选择动载扰动最小的回采速度作为安全回采速度。

三是同一矿井各回采工作面回采速度调整时，合理回采速度对应的动载扰动水平，不宜超过本矿井存在动力显现、冲击地压事故回采工作面的安全回采速度。

四是顶板预裂爆破、小煤柱护巷工艺、保护层开采等措施有利于降低工作面动载诱冲风险。在确保防治措施效果，加强实时监测与分析的同时可以适当提高回采速度；但即使采取多种防治措施后，并非可以无限制提高回采速度，依然需注意对回采速度的合理管控，最大回采速度不宜超过本矿井存在动力显现、冲击地压事故回采工作面的安全回采速度。

五是工作面短期停产与复采期间，微震事件恢复平稳存在一定滞后性，纳林河二号矿井为2～4天，应尽量保证工作面低速均匀推进。当发生客观原因导致工作面停采2～4天内，依然应重视沿空巷道动力显现风险；工作面停产复产时，应以较低的初始速度开始推进，并保持该初始速度2～4天。

六是采煤机停机3.5h后，微震能量释放趋于平稳，动力显现后进入危险区解危作业时间根据当日微震事件按小时统计，在微震事件频次能量明显降低并平稳后进入限员区域。